Desenvolvimento de uma metodologia de processamento para obtenção de materiais com variação contínua de funcionalidade
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Tipo de produção
Dissertação
Data
2020
Autores
Andrade, J. C.
Orientador
Ortega, Fernando dos Santos
Periódico
Título da Revista
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Citação
ANDRADE, J. C. Desenvolvimento de uma metodologia de processamento para obtenção de materiais com variação contínua de funcionalidade. 2020. 89 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Centro Universitário FEI, São Bernardo do Campo, 2020. Disponível em: https://doi.org/10.31414/EM.2020.D.131150.
Texto completo (DOI)
Palavras-chave
Gelcasting,Reologia
Resumo
Os Materiais com Gradação de Funcionalidade (MGF) são aqueles que possuem variação de propriedades ao longo de uma ou mais direções. Eles são uma alternativa aos compósitos convencionais em aplicações que possuem gradientes de solicitações (mecânicas, térmicas, elétricas etc.) ou quando se quer reduzir os efeitos negativos causados pela incompatibilidade de materiais aplicados diretamente um sobre o outro, caso de metais revestidos com componentes cerâmicos. Há várias técnicas de produção de MGFs, porém, a maioria delas resulta em uma gradação discreta em peças volumosas (bulks) o que, para muitas aplicações, pode ser um fator negativo já que ocorre mudança abrupta de propriedades entre as camadas. O objetivo de estudo desta pesquisa foi, portanto, o desenvolvimento de uma metodologia para obter materiais volumosos com gradação contínua de funcionalidade a partir da mistura de sistemas particulados e consolidação pelo processo de gelcasting. Os sistemas utilizados foram suspensões de aço inoxidável e alumina, sendo esta última empregada com duas distribuições de tamanho de partícula para avaliar o efeito desta variável sobre o processamento e propriedades do material formado. Tais suspensões foram otimizadas quanto a concentração ideal de dispersante e introduzidas em um misturador estático em proporção variável através de um dispositivo composto por seringas, mangueiras, motores de passo e fusos controlados por uma placa microcontroladora, de modo que a suspensão na saída do misturador fosse transferida para um molde com uma variação contínua de composição. Foram definidos alguns perfis de gradação – ao longo do comprimento de todas as peças produzidas ou em regiões específicas delas. A consolidação da suspensão no interior do molde foi feita através do processo gelcasting, razão pela qual foram preparadas com altos teores de sólido, mas com viscosidade compatível com o sistema de vazão variável. Com o objetivo de compatibilizar as temperaturas de sinterização entre o aço inoxidável e a alumina, foi aplicado um aditivo composto por dióxido de titânio (TiO2) e óxido de cobre (CuO) em uma proporção de 4:1 em peso. Resultados de dilatometria de amostras antes da mistura evidenciaram a densificação da alumina após sinterização a 1400 ºC. A gradação formada apresentou-se macroscopicamente visível no corpo verde. A análise dos corpos de prova sinterizados foi realizada por meio da obtenção de algumas propriedades ao longo do seu comprimento, tais como retração após sinterização, densidade, porosidade aparente e teor de fase ferromagnética. A gradação foi constatada por meio da observação da variação destas propriedades ao longo do comprimento total das amostras ou em regiões específicas previstas para gradação. A metodologia se mostrou viável para a produção de peças volumosas com funcionalidade variando continuamente ao
longo do comprimento, porém estudos futuros devem ser realizados para melhorar a densificação das regiões ricas em alumina, que ficaram aquém do esperado
Functionally Graded Materials (FGM) are those that have variation of properties along one or more directions. They are an alternative to conventional composites in applications that have stress gradients (mechanical, thermal, electrical etc.) or when you want to reduce the negative effects caused by the incompatibility of materials applied directly on each other, in the case of metals coated with ceramic components . There are several techniques to produce FGMs, however, most of them result in a discrete gradation in bulky parts which, for many applications, can be a negative factor since there is an abrupt change of properties between the layers. The objective of this research study was, therefore, the development of a methodology to obtain bulky materials with continuous gradation of functionality from the mixture of particulate systems and consolidation by the gelcasting process. The systems used were suspensions of stainless steel and alumina, the latter being used with two particle size distributions to evaluate the effect of this variable on the processing and properties of the formed material. Such suspensions were optimized for the ideal dispersant concentration and introduced into a static mixer in a variable proportion through a device composed of syringes, hoses, stepper motors and spindles controlled by a microcontroller board, so that the suspension at the mixer outlet was transferred to a mold with a continuous variation of composition. Some gradation profiles have been defined - along the length of all parts produced or in specific regions of them. The consolidation of the suspension inside the mold was done through the gelcasting process, reason why they were prepared with high levels of solid, but with viscosity compatible with the variable flow system. In order to harmonize the sintering temperatures between stainless steel and alumina, an additive composed of titanium dioxide (TiO2) and copper oxide (CuO) was applied in a proportion of 4: 1 by weight. Results of sample dilatometry before mixing showed the densification of alumina after sintering at 1400 ºC. The gradation formed was macroscopically visible in green body. The analysis of the sintered specimens was performed by obtaining some properties along its length, such as shrinkage after sintering, density, apparent porosity and ferromagnetic phase content. The gradation was verified by observing the variation of these properties along the total length of the samples or in specific regions planned for gradation. The methodology proved to be viable to produce bulky pieces with functionality varying continuously along the length, however future studies should be carried out with to improve the densification of the regions rich in alumina, that were far from expected
Functionally Graded Materials (FGM) are those that have variation of properties along one or more directions. They are an alternative to conventional composites in applications that have stress gradients (mechanical, thermal, electrical etc.) or when you want to reduce the negative effects caused by the incompatibility of materials applied directly on each other, in the case of metals coated with ceramic components . There are several techniques to produce FGMs, however, most of them result in a discrete gradation in bulky parts which, for many applications, can be a negative factor since there is an abrupt change of properties between the layers. The objective of this research study was, therefore, the development of a methodology to obtain bulky materials with continuous gradation of functionality from the mixture of particulate systems and consolidation by the gelcasting process. The systems used were suspensions of stainless steel and alumina, the latter being used with two particle size distributions to evaluate the effect of this variable on the processing and properties of the formed material. Such suspensions were optimized for the ideal dispersant concentration and introduced into a static mixer in a variable proportion through a device composed of syringes, hoses, stepper motors and spindles controlled by a microcontroller board, so that the suspension at the mixer outlet was transferred to a mold with a continuous variation of composition. Some gradation profiles have been defined - along the length of all parts produced or in specific regions of them. The consolidation of the suspension inside the mold was done through the gelcasting process, reason why they were prepared with high levels of solid, but with viscosity compatible with the variable flow system. In order to harmonize the sintering temperatures between stainless steel and alumina, an additive composed of titanium dioxide (TiO2) and copper oxide (CuO) was applied in a proportion of 4: 1 by weight. Results of sample dilatometry before mixing showed the densification of alumina after sintering at 1400 ºC. The gradation formed was macroscopically visible in green body. The analysis of the sintered specimens was performed by obtaining some properties along its length, such as shrinkage after sintering, density, apparent porosity and ferromagnetic phase content. The gradation was verified by observing the variation of these properties along the total length of the samples or in specific regions planned for gradation. The methodology proved to be viable to produce bulky pieces with functionality varying continuously along the length, however future studies should be carried out with to improve the densification of the regions rich in alumina, that were far from expected